Wi-Fi
IEEE 802.11の各改定とWi-Fiの世代の対応、競合ベースのMACの仕組み、802.11axのOFDMAと802.11beのマルチリンク動作がエンジニアにとって何を変えるかを解説します。
概要
Wi-Fiは、IEEE 802.11ワーキンググループが規定し、Wi-Fi Allianceが認証する無線LAN技術です。規格を作成するのはIEEEです。規格は、数年ごとに改訂されるベース文書と、アルファベットの付いた改定（amendment）から成ります。802.11タイムラインのページによれば、現行のベース版はIEEE 802.11-2024です。Wi-Fi Allianceは相互接続性認証を運営しています。同団体の発表によれば、2018年10月からは世代名も定めています。たとえば802.11ax対応機器はWi-Fi 6と呼ばれます。
Wi-Fiは免許不要の周波数帯で動作します。そのため、すべての機器は近隣の機器や他の技術とチャネルを共有しなければなりません。この一点で、設計の大部分が説明できます。このハブは、802.11のキャプチャを読む、ネットワークを設計する、新しい改定が実際に何を変えるのかを理解する、といった必要があるエンジニア向けです。
重要な考え方
改定と世代
下表は主な改定とその名称の対応を示します。承認年と短いタイトルはIEEE 802.11タイムラインのページによります。
| 改定 | 世代名 | IEEE SA承認 | 主な変更 |
|---|---|---|---|
| 802.11a・802.11b | なし | 1999 | 5 GHz（a）と2.4 GHz（b）の高速PHY |
| 802.11g | なし | 2003 | 2.4 GHzでのさらなる高速化 |
| 802.11n | Wi-Fi 4 | 2009 | High Throughput |
| 802.11ac | Wi-Fi 5 | 2013 | 6 GHz未満でのVery High Throughput |
| 802.11ax | Wi-Fi 6（6 GHz帯ではWi-Fi 6E） | 2021 | High Efficiency WLAN、OFDMA |
| 802.11be | Wi-Fi 7 | 2024 | Extremely High Throughput、マルチリンク |
| 802.11bn | Wi-Fi 8（IEEE 802.11ワーキンググループのページによる） | 策定中 | Ultra High Reliability |
本稿執筆時点で、802.11bnはドラフト2.10の段階にあり、IEEEのタイムラインでは2028年5月の承認が見込まれています。専門分野によっては他の改定も重要です。1 GHz未満で動作する802.11ah、60 GHzの802.11ad・802.11ay、測位向けの802.11azがあります。
競合ベースのMAC
Wi-Fiは衝突回避型の搬送波感知多重アクセス（CSMA/CA）を使います。局は送信前にチャネルを聞きます。媒体がビジーなら、アイドルになるまで待ち、その後ランダムなバックオフをカウントダウンします。確認応答が返らないフレームは失われたものとみなし、より長いバックオフで再送します。各局は、アクセスポイントを含め、チャネル上の他のすべての局と競合します。ほぼすべての送信を基地局がスケジューリングするセルラーとの大きな違いはここにあります。競合はプリアンブル、送信間の空き時間、衝突でエアタイムを消費します。そのため、ビジーな局の数が増えるほど、PHYの高速化による利得は小さくなります。
Wi-Fi 6のOFDMA
802.11ax以前は、802.11acの下りリンクのマルチユーザー多入力多出力（MIMO）を除き、1回の送信は1ユーザー宛てでした。802.11axはWi-Fiに直交周波数分割多元接続（OFDMA）を導入しました。アクセスポイントはチャネルをリソースユニットに分割し、1回の送信で複数の局にサービスを提供します。これは下りリンクと上りリンクの両方で行われます。上りリンクのOFDMAでは、アクセスポイントが局をトリガーしてスケジューリングする必要があります。これにより、Wi-Fiはセルラーのモデルに一歩近づきました。Wi-Fi AllianceのWi-Fi 6のページには、マルチユーザーMIMOとターゲットウェイクタイムも挙げられています。ターゲットウェイクタイムは、局が起動するタイミングを取り決められるようにする機能で、これによりバッテリーを節約できます。Khorovらは802.11axの詳しいチュートリアルを著しています。
周波数帯にも変化がありました。FCCのニュースリリースによれば、米国ではFCCが2020年4月23日に、6 GHz帯（5.925〜7.125 GHz）を免許不要で利用できるようにする規則を採択しました。低電力の屋内用アクセスポイントは1,200 MHz全体を使用できます。標準電力のアクセスポイントは、既存の無線回線を保護する自動周波数調整システムのもとで850 MHzを使用できます。他の国では帯域の異なる部分を開放しているため、各国の規制当局の規則を確認してください。
Wi-Fi 7のマルチリンク動作
802.11be（2024年承認）は、マルチリンクデバイス（MLD）を規定しています。MLDは、たとえば2.4 GHz・5 GHz・6 GHzに複数の所属無線部を持つ、1つの論理デバイスです。1つのトラフィックフローを複数のリンクで運び、フレームはどのリンクでも再送できます。Liuらは802.11beの機能概要（arXiv、2023年）で2つのモードを説明しています。送受信同時（STR）MLDは各リンクを独立に使います。非STR MLDは、あるリンクで受信している間に別のリンクで送信できません。802.11beはさらに、6 GHz帯の320 MHzチャネル、4096-QAM、1つの局への複数リソースユニットの割当てを追加しています。
どこから始めるか
Wi-Fi 6とWi-Fi 7は直交周波数分割多重（OFDM）とOFDMAの上に構築されているため、まずゼロから学ぶOFDMを読んでください。屋内のリンクが数センチメートルの違いでなぜ大きく変動するのかは、フェージングチャネルで説明しています。PHYはOFDM・マルチキャリアのハブとMIMO・ビームフォーミングのハブで詳しく扱います。6 GHzの規則とチャネル共有については、スペクトラム・セキュリティ・規制のハブを参照してください。
ツールとプラットフォーム
| ツール | 用途 | ライセンス |
|---|---|---|
| Wireshark | モニターモードのキャプチャから802.11フレームをデコード | GPL-2.0 |
| IEEE 802.11ワーキンググループ | タスクグループ、策定中のドラフト、発行済みの規格 | IEEEの規約 |
| Wi-Fi Allianceの認証検索 | 製品が何の認証を受けているかの確認 | Wi-Fi Allianceの規約 |
チップセットベンダーはQualcommのプラットフォームハブで扱っています。シグナルアナライザとWi-Fiテストセットは、KeysightとRohde & Schwarzのハブで扱っています。
よくある間違い
- PHYレートをスループットとして示すこと。MACのオーバーヘッドと競合が大きな割合を占めます。
- 高密度の建物で160 MHzや320 MHzのチャネルを使うこと。重ならないチャネルの数が減り、競合が増えます。
- Wi-Fi 7の表示があれば、すべてのリンクがマルチリンク動作（MLO）を使うと考えること。両端が対応している必要があり、モード（STRか非STRか）も影響します。
- 5 GHzの数値で6 GHzのカバレッジを設計すること。経路損失と許容電力が異なります。
- 6 GHzの規則が国によって異なることを忘れること。
さらに深く
- IEEE 802.11ワーキンググループと、そのタイムラインのページ。
- Khorovら、A Tutorial on IEEE 802.11ax High Efficiency WLANs、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2019年。
- Dengら、IEEE 802.11be Wi-Fi 7: New Challenges and Opportunities、IEEE Communications Surveys and Tutorials、2020年。
- Liuら、IEEE 802.11be Wi-Fi 7: Feature Summary and Performance Evaluation、arXiv、2023年。
- 2020年4月23日付のFCCの6 GHzに関するニュースリリース。
訂正
- 2026年11月15日：表では、当サイトの出典には802.11bnの世代名がないとしていました。IEEE 802.11ワーキンググループのページはTGbnをWi-Fi 8と呼んでいます。表はそのように修正しました。
- 2026年11月15日：本ページでは、802.11ax以前の世代は1回に1ユーザーのフレームを送信するとしていました。Khorovらが指摘するとおり、802.11acにはすでに下りリンクのマルチユーザーMIMOがありました。該当の文はこの例外を明記するよう修正しました。